Como testar um amplificador operacional com um testador. Verificando a funcionalidade dos amplificadores operacionais

Muitas vezes eles começaram a me fazer perguntas sobre eletrônica analógica. A sessão não deu valor aos alunos? ;) Ok, é hora de uma pequena atividade educacional. Em particular, sobre o funcionamento de amplificadores operacionais. O que é, com que se come e como calculá-lo.

O que é isso
Um amplificador operacional é um amplificador com duas entradas, nunca... hmm... alto ganho de sinal e uma saída. Aqueles. temos U out = K*U in e K idealmente é igual ao infinito. Na prática, claro, os números são mais modestos. Digamos 1.000.000. Mas mesmo esses números surpreendem quando você tenta aplicá-los diretamente. Portanto, como no jardim de infância, uma árvore de Natal, duas, três, muitas árvores de Natal - temos muitos reforços aqui;) E é isso.

E há duas entradas. E um deles é direto e o outro é inverso.

Além disso, as entradas são de alta impedância. Aqueles. sua impedância de entrada é infinita no caso ideal e MUITO alta no caso real. A contagem chega a centenas de MegaOhms, ou mesmo gigaohms. Aqueles. ele mede a tensão na entrada, mas tem efeito mínimo sobre ela. E podemos assumir que nenhuma corrente flui no amplificador operacional.

A tensão de saída neste caso é calculada como:

Você sai =(U 2 -U 1)*K

Obviamente, se a tensão na entrada direta for maior que na entrada inversa, então a saída será mais infinito. Caso contrário, será menos infinito.

É claro que em um circuito real não haverá infinito mais e menos, e eles serão substituídos pela tensão de alimentação mais alta e mais baixa possível do amplificador. E obteremos:

Comparador
Um dispositivo que permite comparar dois sinais analógicos e dar um veredicto - qual sinal é maior. Já é interessante. Você pode criar vários aplicativos para isso. A propósito, o mesmo comparador está embutido na maioria dos microcontroladores, e mostrei como usá-lo usando o exemplo do AVR em artigos sobre criação. O comparador também é ótimo para criar arquivos .

Mas o assunto não se limita a um comparador, porque se você introduzir feedback, muito poderá ser feito a partir do amplificador operacional.

Opinião
Se pegarmos um sinal da saída e enviá-lo diretamente para a entrada, surgirá feedback.

Feedback Positivo
Vamos pegar e direcionar o sinal diretamente da saída para a entrada direta.

A tensão U1 é maior que zero - a saída é de -15 volts
A tensão U1 é menor que zero - a saída é +15 volts

O que acontece se a tensão for zero? Em teoria, a saída deveria ser zero. Mas, na realidade, a tensão NUNCA será zero. Afinal, mesmo que a carga da direita supere a carga da esquerda em um elétron, isso já é suficiente para direcionar o potencial para a saída com um ganho infinito. E na saída todo o inferno começará - o sinal salta aqui e ali na velocidade das perturbações aleatórias induzidas nas entradas do comparador.

Para resolver este problema, é introduzida a histerese. Aqueles. uma espécie de lacuna entre a mudança de um estado para outro. Para fazer isso, é introduzido feedback positivo, assim:

Assumimos que neste momento há +10 volts na entrada inversa. A saída do amplificador operacional é menos 15 volts. Na entrada direta não é mais zero, mas uma pequena parte da tensão de saída do divisor. Aproximadamente -1,4 volts Agora, até que a tensão na entrada inversa caia abaixo de -1,4 volts, a saída do amplificador operacional não mudará sua tensão. E assim que a tensão cair abaixo de -1,4, a saída do amplificador operacional saltará drasticamente para +15 e já haverá um viés de +1,4 volts na entrada direta.

E para alterar a tensão na saída do comparador, o sinal U1 precisará aumentar em até 2,8 volts para atingir o nível superior de +1,4.

Aparece uma espécie de gap onde não há sensibilidade, entre 1,4 e -1,4 volts. A largura da lacuna é controlada pelas relações dos resistores em R1 e R2. A tensão limite é calculada como Uout/(R1+R2) * R1 Digamos que 1 a 100 dará +/- 0,14 volts.

Mesmo assim, os amplificadores operacionais são usados com mais frequência no modo de feedback negativo.

Avaliação negativa
Ok, vamos colocar de outra forma:

No caso de feedback negativo, o amplificador operacional tem uma propriedade interessante. Ele sempre tentará ajustar sua tensão de saída para que as tensões nas entradas sejam iguais, resultando em diferença zero.
Até ler isto no grande livro dos camaradas Horowitz e Hill, não consegui entrar no trabalho da OU. Mas acabou sendo simples.

Repetidor
E temos um repetidor. Aqueles. na entrada U 1, na entrada inversa U out = U 1. Bem, acontece que U out = U 1.

A questão é: por que precisamos de tanta felicidade? Era possível conectar diretamente o fio e nenhum amplificador operacional seria necessário!

É possível, mas nem sempre. Vamos imaginar esta situação: existe um sensor feito em forma de divisor resistivo:

Quanto menor a resistência muda seu valor, a distribuição das tensões de saída do divisor muda. E precisamos fazer leituras com um voltímetro. Mas o voltímetro tem sua própria resistência interna, embora grande, mas vai alterar as leituras do sensor. Além disso, e se não quisermos um voltímetro, mas quisermos que a lâmpada mude de brilho? Não há mais como conectar uma lâmpada aqui! Portanto, armazenamos a saída em buffer com um amplificador operacional. Sua resistência de entrada é enorme e sua influência será mínima, e a saída pode fornecer uma corrente bastante perceptível (dezenas de miliamperes, ou mesmo centenas), o que é suficiente para operar a lâmpada.
Em geral, você pode encontrar aplicativos para repetidor. Especialmente em circuitos analógicos de precisão. Ou onde o circuito de um estágio pode afetar o funcionamento de outro, de forma a separá-los.

Amplificador
Agora vamos fazer uma simulação com nossos ouvidos - pegue nosso feedback e conecte-o ao terra através de um divisor de tensão:

Agora metade da tensão de saída é fornecida à entrada inversa. Mas o amplificador ainda precisa equalizar as tensões nas suas entradas. O que ele terá que fazer? É isso mesmo - aumente a tensão na sua saída duas vezes mais do que antes para compensar o divisor resultante.

Agora haverá U 1 em linha reta. No inverso U out /2 = U 1 ou U out = 2*U 1.

Se colocarmos um divisor com proporção diferente, a situação mudará da mesma forma. Para que você não precise pensar na fórmula do divisor de tensão, vou fornecê-la imediatamente:

você sai = você 1 *(1+R 1 /R 2)

É mnemônico lembrar o que se divide no que é muito simples:

Acontece que o sinal de entrada passa por uma cadeia de resistores R 2, R 1 em U out. Neste caso, a entrada direta do amplificador é zero. Vamos lembrar os hábitos do amplificador operacional - ele tentará, por bem ou por mal, garantir que uma tensão igual à entrada direta seja gerada em sua entrada inversa. Aqueles. zero. A única maneira de fazer isso é diminuir a tensão de saída abaixo de zero, de modo que um zero apareça no ponto 1.

Então. Vamos imaginar que U out =0. Ainda é zero. E a tensão de entrada, por exemplo, é de 10 volts em relação à saída U. Um divisor de R 1 e R 2 irá dividi-lo ao meio. Assim, no ponto 1 existem cinco volts.

Cinco volts não é zero e o amplificador operacional reduz sua saída até que o ponto 1 seja zero. Para fazer isso, a saída deve ser (-10) volts. Neste caso, em relação à entrada, a diferença será de 20 volts, e o divisor nos fornecerá exatamente 0 no ponto 1. Temos um inversor.

Mas também podemos escolher outros resistores para que nosso divisor produza coeficientes diferentes!
Em geral, a fórmula de ganho para tal amplificador será a seguinte:

Você sai = - U entra * R 1 / R 2

Bem, uma imagem mnemônica para memorizar rapidamente xy de xy.

Digamos que U 2 e U 1 tenham 10 volts cada. Então, no segundo ponto, haverá 5 volts. E a saída terá que ser tal que no 1º ponto também haja 5 volts. Ou seja, zero. Acontece que 10 volts menos 10 volts é igual a zero. Isso mesmo :)

Se U 1 se tornar 20 volts, a saída deverá cair para -10 volts.
Faça você mesmo as contas - a diferença entre U 1 e U out será de 30 volts. A corrente através do resistor R4 será (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015A, e a queda de tensão no resistor R 4 será R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 volts. Subtraia a queda de 15 volts da queda de 20 entradas e obtenha 5 volts.

Assim, nosso amplificador operacional resolveu um problema aritmético de 10 subtraído 20, resultando em -10 volts.

Além disso, o problema contém coeficientes determinados por resistores. Só que, para simplificar, escolhi resistências do mesmo valor e, portanto, todos os coeficientes são iguais a um. Mas, na verdade, se pegarmos resistores arbitrários, a dependência da saída na entrada será a seguinte:

U sai = U 2 *K 2 - U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 / R 4

A técnica mnemônica para lembrar a fórmula de cálculo dos coeficientes é a seguinte:
Certo de acordo com o esquema. O numerador da fração está no topo, então somamos os resistores superiores no circuito de fluxo de corrente e multiplicamos pelo inferior. O denominador está na parte inferior, então somamos os resistores inferiores e multiplicamos pelo superior.

Tudo é simples aqui. Porque o ponto 1 é constantemente reduzido a 0, então podemos assumir que as correntes que fluem para ele são sempre iguais a U/R, e as correntes que entram no nó número 1 são somadas. A relação entre o resistor de entrada e o resistor de feedback determina o peso da corrente de entrada.

Pode haver quantos galhos você quiser, mas desenhei apenas dois.

U fora = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Os resistores na entrada (R 1, R 2) determinam a quantidade de corrente e, portanto, o peso total do sinal de entrada. Se você igualar todos os resistores, como o meu, então o peso será o mesmo e o fator de multiplicação de cada termo será igual a 1. E U out = -1(U 1 +U 2)

Somador não inversor
Tudo é um pouco mais complicado aqui, mas é semelhante.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2

Além disso, os resistores no feedback devem ser tais que a equação R 3 / R 4 = K 1 + K 2 seja observada

Em geral, você pode fazer qualquer matemática usando amplificadores operacionais, somar, multiplicar, dividir, calcular derivadas e integrais. E quase instantaneamente. Computadores analógicos são feitos com amplificadores operacionais. Eu até vi um desses no quinto andar do SUSU - um idiota do tamanho de meio cômodo. Vários armários metálicos. O programa é digitado conectando diferentes blocos com fios :)

Verificando a funcionalidade dos amplificadores operacionais

Primeiro método de teste baseado no uso de um amplificador operacional como seguidor de tensão. Vamos considerá-lo usando o exemplo de um amplificador operacional simples com correção interna LM358N.

A conexão dos pinos externos é mostrada na Fig. 1, e na Fig. 2 está o diagrama de teste. Para instalar o amplificador operacional, é usado um soquete DIP-8, mas DIP-14/I6 também pode ser usado. Todas as peças são fixadas ao soquete com os cabos mais curtos possíveis. Como um pacote LM358N contém dois amplificadores operacionais, verifique primeiro o primeiro (pinos 1, 2, 3). e depois o segundo (5, 6, 7). O capacitor C3 é montado diretamente no soquete. Em seguida, monte o circuito de teste da Fig. 2 e alimente-o. O resistor R2 é utilizado caso a fonte utilizada não possua regulação de corrente de proteção.

Segundo método de testeé baseado no circuito de comutação do amplificador operacional como comparador, ou seja, comparação de duas tensões (Fig. 3). Os requisitos de instalação deste circuito são os mesmos do anterior. Usando R1, é definida uma tensão de vários volts, que é controlada por um voltímetro de alta resistência PV1. Aproximadamente a mesma tensão deve ser ajustada com o resistor R2, que também é controlado pelo PV2 de alta resistência.

Concluindo, notamos que o segundo esquema é mais universal, porque permite testar amplificadores operacionais que não contêm correção integrada ("anti-excitação"), sem instalar esta última com elementos externos.

Amplificadores operacionais (OA) são amplamente utilizados por rádios amadores nos projetos de vários dispositivos de rádio. Além disso, dado o custo crescente dos radioelementos e sua escassez, às vezes é necessário utilizar microcircuitos que já foram utilizados anteriormente em obras. Para ter certeza da adequação de tal amplificador operacional, ele deve ser verificado, por exemplo, usando a ponta de prova descrita em [L].
Porém, testes práticos deste dispositivo mostraram que ao testar algumas séries de amplificadores operacionais (como KR544UD1B, K153UD2), a ponta de prova sempre sinaliza um mau funcionamento desses microcircuitos, independentemente de sua condição.
Depois de analisar o funcionamento do dispositivo e os modos de operação do amplificador operacional, consegui descobrir o motivo desse “comportamento” seletivo da sonda e, ao eliminá-lo, ampliar significativamente a gama de amplificadores testados.
O diagrama esquemático da sonda atualizada é mostrado na Fig. Na prática, não é muito diferente de seu antecessor: os diodos VD2-VD4 estão incluídos no circuito base do transistor VT1 e os valores de alguns resistores foram alterados.

Fig.1 Diagrama esquemático

O amplificador operacional em teste é conectado aos soquetes do conector X1 (a conexão do amplificador operacional K140UD2 é mostrada como exemplo). Esta inclusão forma um gerador de relaxamento que produz pulsos retangulares (meandro) com frequência de 1...2 Hz. A tensão de alimentação é fornecida ao gerador a partir do estabilizador paramétrico R1VD1.
Se o amplificador operacional for adequado, o gerador começará a funcionar e o LED HL1 piscará no ritmo da frequência dos pulsos gerados.
Se o amplificador operacional em teste estiver inutilizável, o gerador não funcionará e o LED, dependendo da causa do mau funcionamento do amplificador, acenderá continuamente ou nem acenderá.
Qual é a razão pela qual, ao testar amplificadores operacionais adequados das séries KR544UD1B, K153UD2 com uma ponta de prova [L], o LED HL1 sinalizou um mau funcionamento dos amplificadores?
Ao fazer um oscilograma no ponto “a”, fica claro que a tensão mínima (U2, Fig. 2, a) dos pulsos gerados é muito alta em valor absoluto para fechar o transistor da estrutura n-p-n (dependendo da série de amplificadores operacionais, esta tensão pode atingir um valor de 2 V): U2 > U1, onde U1 é a tensão limite na qual a junção do emissor do transistor abre. Portanto, apesar do gerador estar funcionando (porque o microcircuito está funcionando), o transistor VT1 está constantemente aberto e o LED HL1 está aceso, indicando que o microcircuito está inutilizável.

Figura 2

Para reduzir a tensão no ponto “a”, os diodos VD2-VD4 são incluídos no circuito base do transistor VT1. Agora o oscilograma neste ponto tem a forma mostrada na Fig. 2b: a tensão mínima dos pulsos gerados é menor que o valor limite da junção emissora do transistor. O transistor abrirá e fechará e o LED piscará na frequência dos pulsos gerados.
Na sonda, além dos indicados no diagrama, você pode usar transistores KT312A-KT312V, KT315A, KT315V-KT315I, KT503A-KT503E, diodos KD521A-KD521G, KD103A, KD103B, diodo zener D814 G. Conector X1 - painel de montagem para microcircuitos, caixa tipo 21 03.16 .
As peças do dispositivo são colocadas sobre uma placa de circuito impresso (Fig. 3), feita de folha laminada de fibra de vidro unilateral com espessura de 1...1,5 mm.
Uma sonda montada corretamente não requer ajuste.
Usando uma ponta de prova, você pode verificar quase todos os amplificadores operacionais mais usados na prática, exceto aqueles cuja resistência de saída é comparável ou excede a resistência do resistor R7, por exemplo, amplificadores operacionais de micropotência K140UD12, K153UD4.

Figura 3

LITERATURA
Kozlov F., Prilepko A. "Cube" para testar amplificadores operacionais. - Rádio. 1986, nº 11, pág. 59.

Fonte: Rádio nº 5, 1994, p.29.

Este diagrama também é frequentemente visualizado:

Na prática do rádio amador, muitas vezes é necessário usar amplificadores operacionais extraídos de designs antigos ou placas de circuito impresso. Como mostra a prática, não será supérfluo verificar os microcircuitos adquiridos no mercado de rádios.
Primeiro método o teste é baseado no uso de um amplificador operacional como seguidor de tensão. Vamos considerá-lo usando o exemplo de um amplificador operacional simples com correção interna LM358N.

A conexão dos pinos externos é mostrada na Fig. 1 e na Fig. 2 - esquema de teste. Para instalar o amplificador operacional, é usado um soquete DIP-8, mas DIP-14/I6 também pode ser usado. Todas as peças são fixadas ao soquete com os cabos mais curtos possíveis. Como um pacote LM358N contém dois amplificadores operacionais, verifique primeiro o primeiro (pinos 1, 2, 3). e depois o segundo (5, 6, 7). O capacitor SZ é montado diretamente no soquete. Em seguida, monte o circuito de teste da Fig. 2 e alimente-o. O resistor R2 é utilizado caso a fonte utilizada não possua regulação de corrente de proteção.

Se estiver, então R2 não está instalado, mas a corrente de proteção da fonte de alimentação está ligada ao valor da corrente de curto-circuito. 10...20mA. Um voltímetro de tensão constante fotovoltaica com limite de 20 V é conectado à saída do amplificador operacional. Em alguns casos, os elementos R1, CI, C2 podem não estar instalados. Após ligar, movemos SA1 de uma posição para outra e observamos o voltímetro. Se o amplificador operacional estiver funcionando corretamente, então na posição “1” da chave o voltímetro deve mostrar quase a tensão de alimentação, e na posição “O” - próximo de zero.
Segundo método o teste é baseado no circuito de comutação do amplificador operacional como comparador, ou seja, comparação de duas tensões (Fig. 3). Os requisitos de instalação deste circuito são os mesmos do anterior. Usando R1, é definida uma tensão de vários volts, que é controlada por um voltímetro de alta resistência PV1. Aproximadamente a mesma tensão deve ser ajustada com o resistor R2, que também é controlado pelo PV2 de alta resistência.

A tensão na saída do amplificador operacional é controlada por um voltímetro PV3 e, para um amplificador operacional em funcionamento, mudará abruptamente de praticamente fornecendo para quase zero com um leve movimento do motor R1 em uma direção ou outra. Você pode escolher qualquer valor dos resistores R1, R2 na faixa de 10 kOhm a 1 MOhm, mas eles devem ser iguais. Claro que não é necessário usar três voltímetros no circuito considerado, pode ser um, conectado alternadamente em três pontos;
Concluindo, notamos que o segundo esquema é mais universal, porque permite testar amplificadores operacionais que não contêm correção integrada (“anti-excitação”), sem instalar esta última com elementos externos.

Vladislav Artemenko, UT5UDJ, Kyiv

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